DE102010033604B4

DE102010033604B4 - Steuersysteme für einen motor zur regeneration von partikelmaterialfi ltern

Info

Publication number: DE102010033604B4
Application number: DE102010033604.1A
Authority: DE
Inventors: EugeneV. Gonze; Michael J. Paratore jun.; Garima Bhatia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2030-08-07
Also published as: US8511069B2; US20110036076A1; CN101994557B; CN101994557A; DE102010033604A1

Abstract

Steuersystem für einen Motor (104), umfassend:einen Eingang, der eine Anforderung aufnimmt, einen Partikelmaterial-(PM-)Filter (136) zu regenerieren, der PM von Abgas des Motors (104) filtert; undein Regenerationsmodul (204), das in Ansprechen auf die Anforderung den Betrieb des Motors (104) und eine elektrische Heizung (162) reguliert, die eine Einlassfläche (172) des PM-Filters (136) heizt, so dass:für eine erste Heizperiode die elektrische Heizung (162) die Einlassfläche (172) innerhalb eines ersten Einlasstemperaturbereichs oberhalb einer Regenerationstemperatur des PM-Filters (136) beibehält und eine Verbrennung einer ersten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter (136) ausgelöst wird,für eine Kühlperiode nach der ersten Heizperiode das Abgas die Einlassfläche (172) auf einen zweiten Einlasstemperaturbereich unterhalb der Regenerationstemperatur kühlt und eine Verbrennung der ersten Masse verhindert wird, undfür eine zweite Heizperiode nach der Kühlperiode die Einlassfläche (172) innerhalb eines dritten Einlasstemperaturbereichs oberhalb der Regenerationstemperatur beibehalten wird und eine zweite Masse des angesammelten PM verbrannt wird,wobei die Kühlperiode kürzer als die erste Heizperiode und die zweite Heizperiode ist, wobei die erste Heizperiode kürzer als die zweite Heizperiode ist, und wobei die zweite Heizperiode der Kühlperiode unmittelbar folgt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Fahrzeugabgasbehandlungssysteme und insbesondere Steuersysteme zur Regeneration von Partikelmaterialfiltern.
HINTERGRUND
Dieselmotoren verbrennen Dieselkraftstoff in der Anwesenheit von Luft, um Leistung zu erzeugen. Die Verbrennung von Dieselkraftstoff erzeugt Abgas, das Partikelmaterial (PM) enthält. Das PM kann von dem Abgas durch einen PM-Filter gefiltert werden. Mit der Zeit kann sich das PM in dem PM-Filter ansammeln und kann die Strömung von Abgas durch den PM-Filter beschränken. PM, das sich in dem PM-Filter angesammelt hat, kann durch einen Prozess, der als Regeneration bezeichnet wird, entfernt werden. Bei der Regeneration kann das PM in dem PM-Filter verbrannt werden.
Eine Regeneration kann beispielsweise durch Injektion von Kraftstoff in die Abgasströmung stromaufwärts des PM-Filters und Verbrennen des injizierten Kraftstoffes erreicht werden. Die Verbrennung des injizierten Kraftstoffes erzeugt Wärme, wodurch die Temperatur des in den PM-Filter eintretenden Abgases erhöht wird. Die erhöhte Temperatur des Abgases kann bewirken, dass sich PM, das sich in dem PM-Filter angesammelt hat, verbrennt. Eine Widerstandsheizung kann an einem stromaufwärtigen Ende des PM-Filters angeordnet sein, um zusätzliche Wärme an das in den PM-Filter eintretende Abgas zu liefern.
Die JP H08-284 639 A offenbart eine Regenerationsvorrichtung für Partikelfilter in einem Abgassystem eines Motors. Das Abgassystem umfasst zwei Strömungspfade, die jeweils einen Partikelfilter aufweisen und derart schaltbar sind, dass im Falle einer Regeneration eines der Partikelfilter auf den anderen Partikelfilter umschaltbar ist. Falls ein Regenerationsvorgang eines der Filter unterbrochen wird, wird solange verhindert, dass der betreffende Filter in Betrieb geht, bis die Regeneration vollständig ist.
Die DE 10 2008 046 704 A1 beschreibt ein Steuersystem zur Verringerung von stirnseitigen Rissen an Partikelfiltern, das eine Verbrennung von Partikelmaterial in dem PM-Filter unter Verwendung eines in Segmente unterteilten Heizelements und angepasster Sauerstoffwerte des Motorabgases erreicht, so dass eine entsprechend angepasste Verbrennungstemperatur für den PM-Filter erzielt wird.
Weitere Steuersysteme für einen Motor sind in der JP 2004 - 218 508 A , der DE 694 04 095 T2 und der EP 1 203 869 B1 gezeigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steuersystem für einen Motor zu schaffen, das den PM-Filter während der Regeneration zuverlässig vor Überhitzung schützt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einer Form sieht die vorliegende Offenbarung ein beispielhaftes Steuersystem für einen Motor vor, das einen Eingang, der eine Anforderung zur Regeneration eines PM-Filters, der PM von Abgas des Motors filtert, empfängt, und ein Regenerationsmodul aufweist, das in Ansprechen auf die Anforderung einen Betrieb des Motors und einer elektrischen Heizung reguliert, die eine Einlassfläche des PM-Filters für eine erste Heizperiode, eine Kühlperiode nach der ersten Heizperiode und eine zweite Heizperiode nach der Kühlperiode heizt.
Für die erste Heizperiode reguliert das Regenerationsmodul einen Betrieb derart, dass die elektrische Heizung die Einlassfläche innerhalb eines ersten Einlasstemperaturbereiches oberhalb einer Regenerationstemperatur des PM-Filters beibehält und eine Verbrennung einer ersten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter ausgelöst wird. Für die Kühlperiode nach der ersten Heizperiode reguliert das Regenerationsmodul einen Betrieb derart, dass das Abgas die Einlassfläche auf einen zweiten Einlasstemperaturbereich unterhalb der Regenerationstemperatur kühlt und eine Verbrennung der ersten Masse verhindert wird. Für die zweite Heizperiode nach der Kühlperiode reguliert das Regenerationsmodul einen Betrieb derart, dass die Einlassfläche innerhalb eines dritten Einlasstemperaturbereiches oberhalb der Regenerationstemperatur beibehalten wird und eine zweite Masse des angesammelten PM verbrennt.
Gemäß einem Merkmal ist die Kühlperiode kürzer als die erste Heizperiode und die zweite Heizperiode. Gemäß anderen Merkmalen kann die erste Heizperiode kürzer als die zweite Heizperiode sein, und die zweite Heizperiode kann unmittelbar auf die Kühlperiode folgen. Gemäß noch einem weiteren Merkmal kann die erste Heizperiode auf einer ersten Abgastemperatur des Abgases oder einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas basieren. Gemäß einem noch weiteren Merkmal kann während der ersten Heizperiode die elektrische Heizung die Einlassfläche bei einer Ziel-Einlasstemperatur beibehalten, die auf der ersten Abgastemperatur des Abgases oder der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas basiert. Gemäß einem noch weiteren Merkmal können die ersten Temperaturen, die den ersten Einlasstemperaturbereich begrenzen, größer als zweite Temperaturen sein, die den dritten Einlasstemperaturbereich begrenzen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform sieht die vorliegende Offenbarung ein Steuersystem für einen Motor vor, das einen Eingang, der eine Anforderung zur Regeneration eines PM-Filters, der PM aus Abgas des Motors filtert, empfängt, und ein Regenerationsmodul aufweist, das in Ansprechen auf die Anforderung einen Betrieb des Motors und von Widerstandsspulen einer elektrischen Heizung reguliert, die Zonen einer Einlassfläche des PM-Filters heizen, so dass Anteile von angesammeltem PM in dem PM-Filter entsprechend den Zonen verbrannt werden und anschließend ein verbleibender Anteil von angesammeltem PM verbrannt wird.
Insbesondere reguliert das Regenerationsmodul einen Betrieb derart, dass für eine erste Heizperiode eine erste Widerstandsspule der elektrischen Heizung eine erste Zone der Einlassfläche innerhalb eines ersten Einlasstemperaturbereichs über einer Regenerationstemperatur des PM-Filters beibehält und eine Verbrennung einer ersten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter ausgelöst wird, und für eine zweite Heizperiode eine zweite Widerstandsspule der elektrischen Heizung eine zweite Zone der Einlassfläche innerhalb des ersten Einlasstemperaturbereichs beibehält und eine Verbrennung einer zweiten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter ausgelöst wird. Das Regenerationsmodul reguliert ferner einen Betrieb derart, dass für eine erste Kühlperiode nach der ersten Heizperiode Abgas des Motors die erste Zone auf einen zweiten Einlasstemperaturbereich unterhalb der Regenerationstemperatur kühlt und eine Verbrennung der ersten Masse verhindert wird, und für eine zweite Kühlperiode nach der zweiten Heizperiode Abgas des Motors die zweite Zone auf den zweiten Einlasstemperaturbereich kühlt und eine Verbrennung der zweiten Masse verhindert wird. Anschließend reguliert das Regenerationsmodul einen Betrieb derart, dass für eine dritte Heizperiode nach der ersten und zweiten Kühlperiode die Einlassfläche innerhalb eines dritten Einlasstemperaturbereiches über der Regenerationstemperatur beibehalten wird und eine dritte Masse des angesammelten PM verbrannt wird.
Bei der beispielhaften Ausführungsform kann die zweite Heizperiode der ersten Kühlperiode folgen. Gemäß verwandten Merkmalen können die erste und zweite Kühlperiode kürzer als die erste, zweite und dritte Heizperiode sein, und die dritte Heizperiode kann der zweiten Kühlperiode unmittelbar folgen. Gemäß anderen Merkmalen können die ersten Temperaturen, die den ersten Einlasstemperaturbereich begrenzen, größer als zweite Temperaturen sein, die den dritten Einlasstemperaturbereich begrenzen.
Gemäß einer weiteren Form sieht die vorliegende Offenbarung ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines Motors vor, das umfasst, dass eine Anforderung zur Regeneration eines PM-Filters, der PM aus Abgas des Motors filtert, empfangen wird und in Ansprechen auf die Anforderung ein Betrieb des Motors und einer elektrischen Heizung reguliert wird, die eine Einlassfläche des PM-Filters für eine erste Heizperiode, eine Kühlperiode nach der ersten Heizperiode und eine zweite Heizperiode nach der Kühlperiode heizt.
Für die erste Heizperiode umfasst das Regulieren des Betriebs eine Regulierung des Betriebs derart, dass die elektrische Heizung die Einlassfläche innerhalb eines ersten Einlasstemperaturbereiches oberhalb einer Regenerationstemperatur des PM-Filters beibehält und eine Verbrennung einer ersten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter ausgelöst wird. Für die Kühlperiode nach der ersten Heizperiode umfasst das Regulieren des Betriebs, dass ein Betrieb reguliert derart wird, dass das Abgas die Einlassfläche auf einen zweiten Einlasstemperaturbereich unterhalb der Regenerationstemperatur kühlt und eine Verbrennung der ersten Masse verhindert wird. Für die zweite Heizperiode nach der Kühlperiode umfasst das Regulieren des Betriebs, dass der Betriebs derart reguliert wird, dass die Einlassfläche innerhalb eines dritten Einlasstemperaturbereichs oberhalb der Regenerationstemperatur beibehalten wird und eine zweite Masse des angesammelten PM verbrannt wird.
Gemäß verwandten Merkmalen kann die Kühlperiode kürzer als die erste Heizperiode und die zweite Heizperiode sein, und die erste Heizperiode kann kürzer als die zweite Heizperiode sein. Gemäß einem anderen verwandten Merkmal kann die zweite Heizperiode der Kühlperiode unmittelbar folgen.
Gemäß weiteren Merkmalen kann die erste Heizperiode auf einer ersten Abgastemperatur des Abgases oder einer Sauerstoffkonzentration des Abgases basieren. Während der ersten Heizperiode kann die elektrische Heizung die Einlassfläche bei einer Zieleinlasstemperatur beibehalten, die auf der ersten Abgastemperatur des Abgases oder der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas basiert.
Gemäß noch weiteren Merkmalen können erste Temperaturen, die den ersten Einlasstemperaturbereich begrenzen, größer als zweite Temperaturen sein, die den dritten Einlasstemperaturbereich begrenzen. Der erste Einlasstemperaturbereich kann Temperaturen zwischen 700°C und 800°C aufweisen. Eine Abgastemperatur des Abgases während der Kühlperiode kann kleiner als 450°C sein.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Motor- und Abgassystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine schematische Ansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten Motor- und Abgassystems ist;
3 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten PM-Filters ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes des in 1 gezeigten PM-Filters ist;
5 ein Funktionsblockschaubild ist, das ein beispielhaftes Steuersystem zur Steuerung der in 3 gezeigten elektrischen Heizung darstellt;
6 ein Funktionsblockschaubild ist, das das in 5 gezeigte Regenerationssteuermodul darstellt;
7 eine Schnittansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten PM-Filters ist;
8 eine weitere Schnittansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten PM-Filters ist;
9 ein Diagramm ist, das beispielhafte Temperaturen des PM-Filters während der Regeneration gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
10 ein Diagramm ist, das beispielhafte PM-Schichtdicken des PM-Filters während der Regeneration gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
11 ein Flussdiagramm ist, das beispielhafte Schritte bei einem Verfahren zur Ausführung einer Regeneration gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
12 ein Flussdiagramm ist, das beispielhafte Schritte bei einem anderen Verfahren zur Ausführung einer Regeneration gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zur Identifizierung ähnlicher Elemente verwendet worden. Die hier verwendete Formulierung „zumindest eines aus A, B und C“ sei so zu verstehen, dass ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder gemeint ist. Es sei zu verstehen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
Der hier verwendete Begriff „Modul“ betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Während einer Regeneration des PM-Filters kann die durch die Verbrennung von PM erzeugte Wärme einen Anstieg der Temperatur des PM-Filters bewirken. Wenn die Temperatur des PM-Filters zu groß wird, kann ein Schaden an dem PM-Filter resultieren. Die vorliegende Offenbarung sieht ein beispielhaftes Steuersystem sowie Verfahren zum Senken der maximalen Temperatur des PM-Filters während der Regeneration vor. Gemäß den Grundsätzen, die nachfolgend detaillierter dargestellt sind, kann die maximale Temperatur durch Regeneration des PM-Filters unter Verwendung eines Prozesses zur geschichteten Regeneration gesenkt werden.
Der Prozess zur geschichteten Regeneration kann einen ersten Verbrennungsprozess, während dem ein Anteil des PM, das in dem PM-Filter angesammelt ist, verbrannt wird, und einen zweiten Verbrennungsprozess aufweisen, während dem das verbleibende angesammelte PM verbrannt wird. Während des ersten Verbrennungsprozesses wird die Temperatur des den Motor verlassenden Abgases unterhalb der Regenerationstemperatur des PM-Filters beibehalten. Wie hier beschrieben ist, wird der Begriff „Regenerationstemperatur“ dazu verwendet, eine Temperatur des PM-Filters zu bezeichnen, oberhalb der eine Verbrennung des PMs, das sich in dem PM-Filter ansammelt, stattfindet.
Während der Beibehaltung der Temperatur des Abgases unterhalb der Regenerationstemperatur wird Wärme an das in den PM-Filter eintretende Abgas geliefert, so dass die Temperatur einer Einlassfläche des PM-Filters auf einen Temperaturbereich oberhalb der Regenerationstemperatur für eine erste Periode angehoben wird. Das Anheben der Einlassfläche über die Regenerationstemperatur löst eine Verbrennung des angesammelten PM aus. Während einer zweiten Periode nach der ersten Periode kühlt das Abgas die Einlassfläche unter die Regenerationstemperatur. Die zweite Periode ist eine Kühlperiode, die ausreichend ist, um eine fortgesetzte Verbrennung zu verhindern und ist allgemein kürzer als die erste Periode und die nachfolgende Periode, während der der zweite Verbrennungsprozess ausgeführt wird.
Durch Regulierung der Temperaturen des Abgases und der Einlassfläche auf die vorhergehende Art und Weise kann eine Verbrennung während des ersten Verbrennungsprozesses auf einen Anteil des angesammelten PM begrenzt werden. Insbesondere kann die Verbrennung auf eine Oberflächenschicht des angesammelten PM begrenzt werden. Zonen der Einlassfläche können sequentiell erwärmt werden, um Anteile von PM, das sich in einzelnen entsprechenden Volumen des PM-Filters angesammelt hat, sequentiell zu verbrennen. Eine elektrische Heizung, die an einem stromaufwärtigen Ende des PM-Filters angeordnet ist, kann die Wärme liefern, die die Temperatur der Einlassfläche anhebt.
Während des zweiten Verbrennungsprozesses wird das verbleibende PM, das in dem PM-Filter angesammelt ist, durch Verbrennung entfernt. Das verbleibende PM kann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zur Regeneration des PM-Filters verbrannt werden. Wenn das in zwei oder mehr Volumen angesammelte PM in dem ersten Verbrennungsprozess sequentiell verbrannt wird, kann der zweite Verbrennungsprozess für eines der Volumen vor der Beendigung des ersten Verbrennungsprozesses für das andere Volumen beginnen.
Durch Entfernung eines Anteils des PM während des ersten Verbrennungsprozesses kann die Masse an PM, die während des nachfolgenden zweiten Verbrennungsprozesses verbrannt wird, gesenkt werden. Durch Senken der Masse des PM kann die Menge an Wärme, die während des zweiten Verbrennungsprozesses erzeugt wird, reduziert werden, was in geringeren maximalen Temperaturen des PM-Filters resultiert.
Bezug nehmend auf 1 ist ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Motor- und Abgassystems 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Motor- und Abgassystem 100 kann ein Dieselmotorsystem 102 aufweisen. Während ein Dieselmotorsystem gezeigt ist, ist die vorliegende Offenbarung auf Benzinmotorsysteme, Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung und/oder andere Motorsysteme anwendbar.
Das Dieselmotorsystem 102 umfasst einen Motor 104, ein Abgassystem 106 und ein Steuermodul 108, das einen Betrieb des Motors 104 und des Abgassystems 106 reguliert. Der Motor 104 zieht Luft durch eine Drossel 118 in die Zylinder 120 und verbrennt ein Gemisch der Luft und des Dieselkraftstoffes in den Zylindern 120, um Leistung (beispielsweise Drehmoment) zu erzeugen. Kraftstoff kann durch einen oder mehrere Kraftstoffinjektoren 122 an jeden der Zylinder 120 geliefert werden. Eine Verbrennung in den Zylindern 120 kann durch eine oder mehrere Zündkerzen 124 ausgelöst werden. Während der Motor 104, der gezeigt ist, sechs Zylinder 120 aufweist, kann der Motor 104 zusätzliche oder weniger Zylinder aufweisen.
Die Verbrennung des Luft- und Kraftstoffgemisches erzeugt heißes Abgas, das von dem Motor 104 in das Abgassystem 106 ausgestoßen werden kann. Das durch den Motor 104 erzeugte Abgas kann ein Gemisch von gasförmigen Verbindungen und PM enthalten, das in das Abgassystem 106 eintritt. Die gasförmigen Verbindungen und PM können vor Verlassen des Abgassystems 106 in die Umgebung behandelt werden.
Mit besonderem Bezug auf 2 kann das Abgassystem 106 einen Abgaskrümmer 130, einen Schalldämpfer 132, ein System 134 für selektive katalytische Reduktion (SCR), einen PM-Filter 136 und einen sekundären Kraftstoffinjektor 138 aufweisen. Das von dem Motor 104 erzeugte Abgas tritt in das Abgassystem 106 über den Abgaskrümmer 130 ein und tritt durch den Schalldämpfer 132 aus. Das SCR-System 134 kann die Konzentration von Stickoxiden (NOx) in dem Abgas reduzieren. Das SCR-System 134 kann einen katalytischen (DOC-) Wandler 142 vom Dieseloxidationstyp, einen Harnstoffinjektor 144 und einen katalytischen SCR-Konverter 146 aufweisen, die durch das Abgasrohr verbunden sind, wie gezeigt ist. Das SCR-System 134 kann auch einen Mischer 148 aufweisen, der in dem Abgas stromabwärts des Harnstoffinjektors 144 angeordnet ist und ein Mischen des Abgases und des Harnstoffs, der in das Abgas durch den Harnstoffinjektor 144 injiziert wird, unterstützt.
Der PM-Filter 136 kann PM von dem Abgas entfernen. Mit besonderem Bezug auf 3 kann der PM-Filter 136 einen Filterblock 160 und eine elektrische Heizung 162 aufweisen, die in einem Gehäuse 164 untergebracht sind. Der Filterblock 160 kann ein beliebiger herkömmlicher Typ sein und kann beispielsweise aus Cordierit hergestellt sein. Die elektrische Heizung 162 kann an einem stromaufwärtigen Ende des Filterblocks 160 angeordnet sein und kann Widerstandsspulen 170 (4) aufweisen, die über eine Einlassfläche 172 angeordnet sind und dadurch Heizzonen 174 definieren. Leistung kann individuell an jede der Widerstandsspulen 170 über einen Verbinder 176 geliefert werden. Auf diese Art und Weise kann jede der Widerstandsspulen 170 unabhängig aktiviert werden.
Mit besonderem Bezug auf 4 kann die elektrische Heizung 162 fünf Widerstandsspulen 170 aufweisen, die fünf Heizzonen 174 definieren, wie gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass zusätzliche oder weniger Widerstandsspulen 170 vorgesehen werden können. Die Anzahl und Anordnung der Widerstandsspulen 170 kann von der Flächengröße der Einlassfläche 172 und einer Flächenleistungsdichte abhängen, die für jede der Heizzonen 174 gewünscht ist. Die Anzahl und Anordnung kann auch von einem Massendurchfluss des Abgases durch jede der Heizzonen 174 abhängig sein. Zusätzlich kann, wie hier diskutiert ist, die Anzahl von Widerstandsspulen 170, die vorgesehen sind, von einem projizierten Volumen 178 ( 3) innerhalb des Filterblocks 160 abhängig sein, das durch jede der Widerstandsspulen 170 definiert ist.
Wieder Bezug nehmend auf 2 kann der Kraftstoffinjektor 138 stromaufwärts des DOC-Wandlers 142 angeordnet sein, wie gezeigt ist. Der Kraftstoffinjektor 138 kann Kraftstoff in das Abgas injizieren, der stromabwärts verbrannt wird und dadurch die Temperatur des Abgases anhebt. Kraftstoff kann in das Abgas injiziert werden, um eine Regeneration des PM-Filters 136 zu unterstützen, wie nachfolgend detaillierter offenbart ist.
Das Abgassystem 106 kann ferner Sensoren aufweisen, die einen oder mehrere Betriebszustände des Abgases erfassen, wie Abgastemperatur und -druck und eine Konzentration von NOx in dem Abgas. Nur beispielhaft kann das Abgassystem 106 einen ersten NOx-Sensor 180, einen ersten Temperatursensor 182, einen zweiten NOx-Sensor 184, einen zweiten Temperatursensor 186 und einen Differenzdrucksensor 188 aufweisen. Die Sensoren 180 bis 188 können Signale auf Grundlage des erfassten Betriebszustands erzeugen. Gemeinsam werden die Signale, die durch die Sensoren erzeugt werden, die in dem Abgassystem 106 angeordnet sind, wie die vorhergehenden Sensoren 180 bis 188, nachfolgend und in den Figuren als „Abgassignale“ bezeichnet.
Der erste NOx-Sensor 180 und der erste Temperatursensor 182 können stromaufwärts des DOC-Wandlers 142 angeordnet sein. Der erste NOx-Sensor 180 kann eine Konzentration von NOx erfassen, das in dem in das SCR-System 134 eintretenden Abgas vorhanden ist, und kann ein Ausgangssignal auf Grundlage der erfassten Konzentration erzeugen. Der erste Temperatursensor 182 kann eine Temperatur des in das SCR-System 134 eintretenden Abgases erfassen und kann ein Ausgangssignal auf Grundlage der erfassten Temperatur erzeugen.
Der zweite NOx-Sensor 184 kann stromabwärts des katalytischen SCR-Wandlers 146 angeordnet sein. Der zweite NOx-Sensor 184 kann eine Konzentration von NOx in das das SCR-System 134 verlassende Abgas erfassen und kann ein Ausgangssignal auf Grundlage der erfassten Konzentration erzeugen. Die durch die NOx-Sensoren 180, 184 erzeugten Signale können auch dazu verwendet werden, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu bestimmen.
Der zweite Temperatursensor 186 kann an einem stromaufwärtigen Ende des PM-Filters 136 angeordnet sein und kann eine Temperatur des in den PM-Filter 136 eintretenden Abgases erfassen. Der zweite Temperatursensor 186 kann ein Ausgangssignal auf Grundlage der erfassten Temperatur erzeugen.
Der Differenzdrucksensor 188 kann fluidmäßig mit dem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende des PM-Filters 136 gekoppelt sein. Der Differenzdrucksensor 188 kann eine Differenz zwischen einem ersten Druck des in dem PM-Filter 136 eintretenden Abgases und einem zweiten Druck des den PM-Filter 136 verlassenden Abgases erfassen. Der Differenzdrucksensor 188 kann ein Ausgangssignal auf Grundlage der Differenz des ersten und zweiten erfassten Druckes erzeugen. Das von dem Differenzdrucksensor 188 erzeugte Ausgangssignal kann dazu verwendet werden, einen Gegendruck des PM-Filters 136 zu bestimmen.
Wieder Bezug nehmend auf 1 reguliert das Steuermodul 108 einen Betrieb des Motors 104 und des Abgassystems 106. Das Steuermodul 108 kann einen Betrieb auf Grundlage von Signalen regulieren, die durch Motorsensoren (nicht gezeigt) erzeugt werden, die einen oder mehrere Betriebszustände des Motors 104 messen. Die Betriebszustände können beispielsweise einen Luftmassenstrom in den Motor und eine Motorkühlmitteltemperatur aufweisen. Gemeinsam werden die durch die Motorsensoren erzeugten Signale nachfolgend und in den Figuren als „Motorsignale“ bezeichnet. Das Steuermodul 108 kann einen Betrieb ferner auf Grundlage der Abgassignale regulieren.
Das Steuermodul 108 kann einen Betrieb durch Steuerung von Aktuatoren regulieren, die Betriebszustände des Motors 104 ändern, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Ansaugluftversorgung, Kraftstoffversorgung und Zündzeitpunkt. Als ein Beispiel kann das Steuermodul 108 den Luftmassenstrom in den Motor 104 durch Steuerung der Drossel 118 regulieren. Das Steuermodul 108 kann ferner einen Betrieb durch Steuerung von Abgasaktuatoren regulieren, die Betriebszustände des Abgassystems 106 variieren. Beispielsweise kann das Steuermodul 108 die Masse an Harnstoff, die in das Abgas injiziert wird, durch Steuerung des Harnstoffinjektors 144 regulieren. Das Steuermodul 108 kann ein oder mehrere Module aufweisen, wie ein Abgassystemmodul 190, die die verschiedenen Betriebszustände regulieren.
Mit besonderem Bezug auf 5 wird nun das Abgassystemmodul 190 detailliert beschrieben. Das Abgassystemmodul 190 arbeitet mit anderen Modulen des Steuermoduls 108 zusammen und reguliert dadurch einen Betrieb des Motors 104 und des Abgassystems 106 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere reguliert das Abgassystemmodul 190 den Betrieb, wenn eine Regeneration des PM-Filters 136 erwünscht ist.
Das Abgassystemmodul 190 kann ein SCR-Steuermodul 200, ein Injektoraktuatormodul 202, ein Regenerationssteuermodul 204 und ein Heizungsaktuatormodul 206 aufweisen. Das SCR-Steuermodul 200 kann einen Betrieb des SCR-Systems 134 über das Injektoraktuatormodul 202 regulieren und dadurch die Konzentration von NOx in dem Abgas regulieren. Das SCR-Steuermodul 200 kann Steuerwerte des SCR-Systems ausgeben, wie eine Sollharnstoffmasse, die in das Abgas injiziert werden soll, die durch das Injektoraktuatormodul 202 empfangen werden. Das Injektoraktuatormodul 202 kann einen Betrieb des Harnstoffmjektors 144 auf Grundlage der empfangenen Steuerwerte steuern.
Das Regenerationssteuermodul 204 bestimmt, ob der PM-Filter 136 regeneriert werden soll. Wenn eine Regeneration gewünscht ist, arbeitet das Regenerationssteuermodul 204 mit anderen Modulen zusammen, um einen Betrieb während Perioden vor und während des Prozesses zur geschichteten Regeneration der vorliegenden Offenbarung zu regulieren. Vor dem Prozess zur geschichteten Regeneration kann das Regenerationssteuermodul 204 Betriebszustände einstellen, so dass während des Prozesses zur geschichteten Regeneration Abgasemissionen innerhalb gewünschter Grenzen beibehalten werden können. Nur beispielhaft kann das Regenerationssteuermodul 204 mit dem SCR-System 134 zusammenarbeiten, um eine Ammoniakspeicherung in dem PM-Filter 136 einzustellen und dadurch NOx-Emissionen während des nachfolgenden Prozesses zur geschichteten Regeneration zu regulieren. Vor und während des Prozesses zur geschichteten Regeneration kann das Regenerationssteuermodul 204 die Temperatur des den Motor 104 verlassenden Abgases einstellen. Während des Prozesses zur geschichteten Regeneration kann das Regenerationssteuermodul 204 die elektrische Heizung 162 über das Heizungsaktuatormodul 206 regulieren. Durch Regulierung der elektrischen Heizung 162 kann das Regenerationssteuermodul 204 die Temperatur der Einlassfläche 172 einstellen.
Mit besonderen Bezug auf 6 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Regenerationssteuermoduls 204 gezeigt. Das Regenerationssteuermodul 204 umfasst ein Beladungsbestimmungsmodul 210, ein Regenerationsbestimmungsmodul 212, ein erstes PM-Verbrennungsmodul 214 und ein zweites PM-Verbrennungsmodul 216. Das Beladungsbestimmungsmodul 210 empfängt ein oder mehrere der Motor- und Abgassignale und bestimmt eine PM-Beladung des PM-Filters 136 auf Grundlage der empfangenen Signale. Das Beladungsbestimmungsmodul 210 kann die PM-Beladung gemäß herkömmlicher Verfahren bestimmen. Beispielhaft kann die PM-Beladung auf Grundlage der Motorlaufzeit und/oder des durch den PM-Filter 136 erzeugten Gegendrucks bestimmt werden. Demgemäß kann das Beladungsbestimmungsmodul 210 die PM-Beladung auf Grundlage des Differenzdrucks bestimmen, der durch den Differenzdrucksensor 188 erfasst wird.
Die PM-Beladung kann eine geschätzte Masse von PM sein, die sich in dem PM-Filter 136 ansammelt. Alternativ dazu kann die PM-Beladung ein Wert auf Grundlage der geschätzten Masse an angesammeltem PM sein, wie ein Verhältnis der geschätzten Masse an angesammeltem PM und einer Ziel-PM-Masse, unterhalb der der PM-Filter 136 betrieben werden sollte. Das Beladungsbestimmungsmodul 210 kann die PM-Beladung an das Regenerationsbestimmungsmodul 212 ausgeben.
Das Regenerationsbestimmungsmodul 212 kann auf Grundlage der PM-Beladung bestimmen, ob eine Regeneration des PM-Filters 136 angefordert ist. Beispielhaft kann das Regenerationsbestimmungsmodul 212 durch Vergleich der PM-Beladung und einer vorbestimmten Schwellenbeladung bestimmen, ob eine Regeneration angefordert ist. Die Schwellenbeladung kann ein vorbestimmter Wert sein, der in einem Speicher gespeichert ist und oberhalb dem eine Regeneration ausgeführt werden sollte. Die Schwellenbeladung kann durch empirische Verfahren bestimmt werden. Das Regenerationsbestimmungsmodul 212 gibt eine Regenerationsanforderung aus, die angibt, ob der PM-Filter 136 regeneriert werden soll. Das Regenerationsbestimmungsmodul 212 kann die Regenerationsanforderung an das erste und zweite PM-Verbrennungsmodul 214, 216 ausgeben.
Das erste und zweite PM-Verbrennungsmodul 214, 216 können die Regenerationsanforderung empfangen und können zusammenarbeiten, um den PM-Filter 136 zu regenerieren, wenn eine Regeneration angefordert worden ist. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, können das erste und zweite PM-Verbrennungsmodul 214, 216 Temperaturen des den Motor 104 verlassenden Abgases und der Einlassfläche 172 des PM-Filters 136 während eines ersten Verbrennungsprozesses bzw. eines zweiten Verbrennungsprozesses regulieren. Das erste und zweite PM-Verbrennungsmodul 214, 216 können einen Betrieb auf Grundlage eines oder mehrerer der empfangenen Motor- und Abgassignale regulieren. Das erste und zweite PM-Verbrennungsmodul 214, 216 können auch Steuerwerte erzeugen, die dazu verwendet werden, Betriebszustände einzustellen und dadurch einen Betrieb zu regulieren.
Das erste PM-Verbrennungsmodul 214 kann einen Betrieb des Motors 104 und des Abgassystems 106 regulieren, so dass ein Anteil des PM, das in dem PM-Filter 136 angesammelt wird, in dem ersten Verbrennungsprozess verbrannt wird. Das erste PM-Verbrennungsmodul 214 kann einen Betrieb derart regulieren, dass ein Anteil des PM in dem projizierten Volumen 178 von zwei oder mehr Heizzonen 174 verbrannt wird.
Während der ersten Heizperiode kann das erste PM-Verbrennungsmodul 214 den Motor 104 so regulieren, dass das den Motor 104 verlassende Abgas bei einer ersten Ziel-Motorausgangsabgastemperatur in einem ersten Abgastemperaturbereich unter der Regenerationstemperatur liegt. Nur beispielhaft kann der erste Abgastemperaturbereich Temperaturen von weniger als oder gleich 450°C aufweisen.
Während der ersten Heizperiode kann das erste PM-Verbrennungsmodul 214 die elektrische Heizung 162 weiter regulieren, um Wärme an das Abgas zu liefern, so dass die Einlassfläche 172 des PM-Filters 136 auf eine erste Ziel-Einlasstemperatur in einem ersten Einlasstemperaturbereich oberhalb der Regenerationstemperatur erwärmt wird. Nur beispielhaft kann der erste Einlasstemperaturbereich Temperaturen zwischen 700°C und 800°C aufweisen.
Während einer Kühlperiode nach der ersten Heizperiode kann das erste PM-Verbrennungsmodul 214 einen Betrieb derart regulieren, dass die Einlassfläche 172 unter die Regenerationstemperatur gekühlt wird. Das erste PM-Verbrennungsmodul 214 kann die elektrische Heizung 162 deaktivieren und den Motor 104 so regulieren, dass das den Motor 104 verlassende Abgas innerhalb des ersten Abgastemperaturbereiches beibehalten wird. Auf diese Art und Weise kann das Abgas dazu verwendet werden, die Einlassfläche 172 innerhalb einer relativ kurzen Zeitperiode unter die Regenerationstemperatur zu kühlen und dadurch eine fortgesetzte Verbrennung zu verhindern.
Das erste PM-Verbrennungsmodul 214 kann Heizungssteuerwerte kommunizieren, die durch das Heizungsaktuatormodul 206 verwendet werden, um den Betrieb der elektrischen Heizung 162 während der ersten Heizperiode zu steuern. Die Heizungssteuerwerte können der ersten Zieleinlasstemperatur und dem ersten Einlasstemperaturbereich, Perioden der Aktivierung von jeder der Widerstandsspulen 170, einer Abfolge der Aktivierung der Heizzonen 174 sowie Zielabgastemperaturen für jede der Heizzonen 174 entsprechen. Das erste PM-Verbrennungsmodul 214 kann die Heizungssteuerwerte auf Grundlage der Temperatur des den Motor verlassenden Abgases und/oder einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas erzeugen. Das erste PM-Verbrennungsmodul 214 kann andere Steuerwerte kommunizieren, die zur Regulierung des Betriebs während der ersten Heizperiode verwendet werden.
Das zweite PM-Verbrennungsmodul 216 kann einen Betrieb des Motors 104 und des Abgassystems 106 während einer zweiten Heizperiode regulieren, so dass ein verbleibender Anteil des angesammelten PM in dem zweiten Verbrennungsprozess verbrannt wird. Während der zweiten Heizperiode kann das zweite PM-Verbrennungsmodul 216 einen Betrieb derart regulieren, dass die Einlassfläche 172 auf eine zweite Zieleinlasstemperatur in einem zweiten Einlasstemperaturbereich oberhalb der Regenerationstemperatur erwärmt wird. Nur beispielhaft kann der zweite Einlasstemperaturbereich Temperaturen zwischen 550°C und 650°C aufweisen. Während der zweite Einlasstemperaturbereich Temperaturen unterhalb des ersten Einlasstemperaturbereiches aufweisen kann, wie hier offenbart ist, sei zu verstehen, dass der zweite Einlasstemperaturbereich höhere Temperaturen aufweisen kann. Der zweite Einlasstemperaturbereich kann Temperaturen in dem ersten Einlasstemperaturbereich aufweisen.
Das Heizungsaktuatormodul 206 empfängt die Heizungssteuerwerte und kann einen Betrieb der elektrischen Heizung 162 auf Grundlage der empfangenen Heizungssteuerwerte steuern. Das Heizungsaktuatormodul 206 kann selektiv Leistung an die Widerstandsspulen 170 über den Verbinder 176 liefern.
Mit besonderem Bezug auf 7 ist nun der Betrieb des PM-Filters 136 zum Abfangen von PM detaillierter diskutiert. Abgas tritt in das stromaufwärtige Ende des PM-Filters 136 ein und strömt über die Widerstandsspulen 170 vor Eintritt in abwechselnd geschlossene Kanäle 300 und offene Kanäle 302 des Filterblocks 160. Die Enden der Kanäle 300, 302 können abwechselnd durch Stopfen 304 abgedichtet sein. Das Abgas tritt in den Filterblock 160 durch Öffnungen 306 ein, die an dem stromaufwärtigen Ende der geschlossenen Kanäle 300 angeordnet sind, und tritt durch Öffnungen 308 aus, die an dem stromabwärtigen Ende der offenen Kanäle 302 angeordnet sind. Entlang des Weges gelangt das Abgas durch Wände 310 der Kanäle 300, 302. PM in dem Abgas wird durch die Wände 310 angesammelt und bildet Schichten 312 entlang beider Seiten einer Länge der Wände 310 zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden. Die Länge und die Dicke der Schichten 312 kann abhängig von der Konfiguration des Filterblocks 160 und der Menge an angesammeltem PM variieren.
Nun Bezug nehmend auf die 8 bis 10 wird ein Betrieb des Motors und des Abgassystems 100 zur Regeneration des PM-Filters 136 detaillierter diskutiert. Mit besonderem Bezug auf 8 ist ein Abschnitt des PM-Filters 136 gezeigt. Insbesondere zeigt 8 das projizierte Volumen 178 für eine einzelne Heizzone 174. Der Einfachheit halber sind ein einzelner geschlossener Kanal 300 und zwei offene Kanäle 302 gezeigt. Es sei jedoch zu verstehen, dass das projizierte Volumen 178 von jeder der Heizzonen 174 zusätzliche oder weniger Kanäle 300, 302 aufweisen kann.
Wenn eine Regeneration des PM-Filters 136 angefordert ist, beginnt das erste PM-Verbrennungsmodul 214 den ersten Verbrennungsprozess. Bei dem ersten Verbrennungsprozess wird ein Anteil des PM, der in dem PM-Filter 136 angesammelt ist, während der ersten Heizperiode verbrannt. Der erste Verbrennungsprozess kann ein Verbrennen von Anteilen von PM aufweisen, die sich in einem oder mehreren der projizierten Volumen 178 angesammelt haben. Bei dem ersten Verbrennungsprozess wird eine Oberflächenschicht 320 der Schichten 312 in einem oder mehreren projizierten Volumen 178 verbrannt. Es kann die Oberflächenschicht 320 in jedem projizierten Volumen 178 verbrannt werden. Die Verbrennung der Oberflächenschicht 320 in jedem projizierten Volumen 178 kann sequentiell ausgelöst werden, wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist. Alternativ dazu kann die Verbrennung der Oberflächenschicht 320 in zwei oder mehr projizierten Volumen 178 nahezu gleichzeitig ausgelöst werden.
Nach dem ersten Verbrennungsprozess beginnt das zweite PM-Verbrennungsmodul 216 den zweiten Verbrennungsprozess. Bei dem zweiten Verbrennungsprozess wird eine verbleibende Masse an PM, das sich in dem PM-Filter 136 angesammelt hat, während der zweiten Heizperiode verbrannt. Auf diese Art und Weise kann das in den Schichten 312 nach dem ersten Verbrennungsprozess verbleibende PM verbrannt werden. Wenn der erste Verbrennungsprozess eine nacheinander erfolgende Verbrennung in zwei oder mehr projizierten Volumen 178 aufweist, kann der zweite Verbrennungsprozess vor Beendigung des ersten Verbrennungsprozesses für die beeinflussten projizierten Volumen 178 beginnen. Beispielhaft kann der zweite Verbrennungsprozess in einem projizierten Volumen 178 beginnen, das den ersten Verbrennungsprozess beendet hat, bevor der erste Verbrennungsprozess in einem anderen projizierten Volumen 178 beendet wird.
Angesichts des Vorhergehenden kann während der ersten Heizperiode das erste PM-Verbrennungsmodul 214 den Motor 104 derart regulieren, dass das den Motor 104 verlassende Abgas sich bei der ersten Ziel-Motorausgangsabgastemperatur in dem ersten Abgastemperaturbereich befindet. Auf diese Art und Weise kann das den Motor 104 verlassende Abgas unterhalb der Regenerationstemperatur beibehalten werden. Es sei angemerkt, dass die Temperatur des den Motor 104 verlassenden Abgases während der ersten Heizperiode abhängig von anderen Betriebsbedingungen variieren kann, wie Motordrehzahl und/oder Soll-Leistungsausgang des Motors 104.
Während der ersten Heizperiode kann das erste PM-Verbrennungsmodul 214 die elektrische Heizung 162 ferner derart regulieren, dass die Einlassfläche 172 des PM-Filters136 bei der ersten Zieleinlasstemperatur in dem ersten Einlasstemperaturbereich beibehalten wird. Insbesondere kann das erste PM-Verbrennungsmodul die Widerstandsspulen 170 von jeder der Heizzonen 174 aktivieren und dadurch die Wärmemenge, die an das durch jede Heizzone eintretende Abgas geliefert wird, zu regulieren. Wärme kann sequentiell in jede der Heizzonen 174 für eine vorbestimmte Aktivierungsperiode geliefert werden. Die Aktivierungsperiode kann eine einzelne vorbestimmte Periode sein oder kann für die verschiedenen Heizzonen 174 verschieden sein. Nur beispielhaft kann die Aktivierungsperiode eine einzelne vorbestimmte Periode von etwa 60 Sekunden sein.
Die Widerstandsspulen 170 können jeweils für die entsprechende Aktivierungsperiode aktiviert werden, so dass die Temperatur des in die Kanäle 300, 302 während der Aktivierungsperiode eintretende Abgas bei oder nahe einer Zielzoneneinlassabgastemperatur für jede der Heizzonen 174 liegt. Allgemein ist die Zielzoneneinlassabgastemperatur eine Temperatur, die ausreichend ist, um die Temperatur der Einlassfläche 172 über die Regenerationstemperatur auf die erste Zieleinlasstemperatur innerhalb der Aktivierungsperiode anzuheben. Auf diese Art und Weise kann das erste PM-Verbrennungsmodul 214 die Temperatur der Einlassfläche 172 auf eine Temperatur anheben, die ausreichend ist, um eine Verbrennung der Oberflächenschicht 320 während der Aktivierungsperiode zu bewirken.
Die Verbrennung kann in der Oberflächenschicht 320 bei oder nahe dem stromaufwärtigen Ende der geschlossenen Kanäle 300 ausgelöst werden. Die Verbrennung kann sich anschließend in der Oberflächenschicht 320 entlang der Länge der Wände 310 in Richtung dem stromabwärtigen Ende für die Dauer der Aktivierungsperiode fortsetzen. Die Verbrennung der Oberflächenschicht 320 kann für eine kurze Periode nach der Aktivierungsperiode andauern, bevor sie abläuft.
Während der Aktivierungsperiode kann die Wärme, die durch die Widerstandsspulen 170 geliefert wird, wenn sie mit der während der Verbrennung des PM erzeugten Wärme kombiniert wird, ausreichend sein, um die Verbrennung der Oberflächenschicht 320 entlang der Länge der Wände 310 zu bewirken. Jedoch ist allgemein die während der Verbrennung erzeugte Wärme nicht ausreichend, um eine Verbrennung zu verlängern, sobald die Aktivierungsperiode geendet hat. Sobald die Aktivierungsperiode geendet hat, wird die Verbrennung durch die kälteren Temperaturen des in die Kanäle 300, 302 eintretenden Abgases verhindert. Somit verbleibt allgemein an dem Ende der Aktivierungsperioden für jede der Heizzonen 174 ein Anteil der Schichten 312 innerhalb jedes projizierten Volumens 178.
Die 9 und 10 sehen Diagramm der PM-Filtertemperatur und der PM-Schichtdicke vor, die eine Verbrennung der Oberflächenschicht 320 in dem ersten Verbrennungsprozess veranschaulichen. Insbesondere veranschaulichen die Diagramme der 9 bis 10 eine Verbrennung während einer Heizperiode gleich dreißig Sekunden. 9 ist ein beispielhaftes Diagramm der Temperatur in Abhängigkeit der Axialposition, das den Fortschritt der Verbrennung entlang der Länge des Filterblockes 160 veranschaulicht. In dem Diagramm sind Temperaturen entlang der Länge gemessen in Zeitintervallen von 61 Sekunden, 120 Sekunden und 240 Sekunden nach Auslösung der Verbrennung in Temperaturkurven 350, 352 bzw. 354 aufgetragen. Die Spitzen in den Temperaturkurven 350, 352, 354 zeigen den Fortschritt der Verbrennung entlang der Länge. Wie in dem Diagramm zu sehen ist, setzen sich die Spitzen entlang der Länge während der dreißig zweiten Heizperiode fort und dauern für eine Periode danach an.
10 ist ein Diagramm, das die Dicke der PM-Schicht (d.h. Schichten 312) während der in 9 gezeigten Heizperiode aufträgt. In dem Diagramm sind die Dicken der PM-Schichten entlang der Länge des Filterblocks 160, gemessen bei gleichen Zeitintervallen, in Dickenkurven 360, 362 bzw. 364 aufgetragen. Die Kurven veranschaulichen die zunehmende Reduktion der Dicke der PM-Schicht während des ersten Verbrennungsprozesses, die aus der Entfernung der Oberflächenschicht (d.h. Oberflächenschicht 320) resultiert.
Die 9 und 10 veranschaulichen den Fortschritt der Verbrennung während des ersten Verbrennungsprozesses und die entsprechende Reduktion der Masse an PM, das sich in dem PM-Filter 136 angesammelt hat. Die 9 bis 10 veranschaulichen ferner, dass die Verbrennung der Oberflächenschicht 320 sich für eine Periode nach der Periode fortsetzen kann, während der Wärme an das Abgas geliefert wird, um die Verbrennung auszulösen und zu unterstützen (d.h. erste Heizperiode). Wenn eine Oberflächenschicht 320 in zwei oder mehr projizierten Volumen 128 des Filterblockes 160 nacheinander verbrannt ist, können sich Perioden der Verbrennung innerhalb der projizierten Volumen 178 überlappen, obwohl dies bei den entsprechenden ersten Heizperioden nicht der Fall ist.
Bei Beendigung des ersten Verbrennungsprozesses wird ein zweiter Verbrennungsprozess begonnen. Der zweite Verbrennungsprozess kann an dem Ende des ersten Verbrennungsprozesses oder innerhalb einer kurzen Periode danach beginnen. Während des zweiten Verbrennungsprozesses wird das verbleibende PM in den Schichten 312 während einer zweiten Heizperiode verbrannt. Allgemein besitzt die zweite Heizperiode eine längere Dauer als die erste Heizperiode und kann größer sein, als die Summe der ersten Heizperioden des ersten Verbrennungsprozesses. Die zweite Heizperiode kann eine längere Dauer besitzen, wenn die Masse an PM, die nach dem ersten Verbrennungsprozess verbleibt, größer als die Masse ist, die während des ersten Verbrennungsprozesses verbrennt. Die zweite Heizperiode kann eine längere Dauer besitzen, wenn die Einlassfläche 172 während des zweiten Verbrennungsprozesses auf eine geringere Temperatur erwärmt wird, als während des ersten Verbrennungsprozesses. Zusätzlich besitzt die zweite Heizperiode allgemein eine längere Dauer als die Kühlperiode, die eine fortgesetzte Verbrennung in dem ersten Verbrennungsprozess verhindert.
Der zweite Verbrennungsprozess kann durch herkömmliche Verfahren zur Regeneration ausgeführt werden. Bei einem herkömmlichen Verfahren wird die Temperatur der Einlassfläche 172 des Filterblocks 160 auf eine Temperatur angehoben, bei der die Verbrennung des verbleibenden PM ausgelöst und für die Dauer der zweiten Heizperiode gehalten wird. Nur beispielhaft kann die Einlassfläche 172 auf eine Temperatur um 600°C während der zweiten Periode angehoben und dabei beibehalten werden.
Insbesondere kann die Einlassfläche 172 auf Temperaturen von 550°C für eine erste Periode, dann 600°C für eine zweite Periode und anschließend 630°C für eine dritte Periode angehoben werden. Die erste, zweite und dritte Periode können jeweils beispielsweise etwa zehn Minuten betragen. In einem solchen Fall beträgt die zweite Heizperiode dreißig Minuten. Die zweite Heizperiode einschließlich der ersten, zweiten und dritten Periode können vorbestimmte Perioden sein, die auf der Temperatur basieren, bei der die Einlassfläche 172 betrieben wird.
Der zweite Verbrennungsprozess kann in einem aktiven Prozess ausgeführt werden, bei dem Kraftstoff in das Abgas injiziert und stromaufwärts des PM-Filters 136 verbrannt wird, so dass die Solltemperatur des stromaufwärtigen Endes erreicht ist. Beispielsweise kann während des Verbrennungsprozesses eine sekundäre Kraftstoffmasse in das Abgas durch den Kraftstoffinjektor 138 injiziert und in dem DOC-Wandler 142 verbrannt werden, wodurch die Temperatur des Abgases angehoben wird. Andere Verfahren zum Regulieren des Motors 104, wie eine verzögerte primäre Kraftstoffinjektion und Ansaugluftdrosselung, können ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich kann eine oder können mehrere der Heizzonen 174 aktiviert werden, um zusätzliche Wärme zu liefern und dadurch die Temperatur des Abgases noch weiter anzuheben.
Mit besonderem Bezug auf 11 ist ein beispielhaftes Steuerverfahren 400 zur Regeneration eines PM-Filters (beispielsweise PM-Filter 136) gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Verfahren 400 wird unter Bezugnahme auf das Motor- und Abgassystem 100 und die hier vorher offenbarten Steuerwerte beschrieben. Das Verfahren 400 kann in einem oder mehreren Modulen implementiert sein, wie dem Abgassystemmodul 190. Das Verfahren 400 kann während des Betriebs des Motors 104 periodisch betrieben werden, um einen Aufbau von PM innerhalb des PM-Filters 136 zu verwalten.
Das Verfahren 400 beginnt bei Schritt 402, bei dem die Steuerung bestimmt, ob der Motor 104 läuft. Wenn der Motor 104 läuft, dann fährt die Steuerung zu Schritt 404 fort, ansonsten schleift die Steuerung zurück, wie gezeigt ist.
Bei Schritt 404 bestimmt die Steuerung eine PM-Beladung des PM-Filters 136, und die Steuerung fährt zu Schritt 406 fort. Wie hier vorher beschrieben wurde, kann die PM-Beladung eine geschätzte Masse an PM sein, die in dem PM-Filter 136 angesammelt ist. Die Steuerung fährt zu Schritt 406 fort, bei dem die Steuerung bestimmt, ob der PM-Filter 136 regeneriert werden soll. Die Steuerung kann bestimmen, ob regeneriert werden soll, in dem die PM-Beladung und eine Schwellenbeladung verglichen werden. Die Schwellenbeladung kann eine Schwellenmasse repräsentieren. Demgemäß kann die Steuerung bestimmen, den PM-Filter 136 zu regenerieren, wenn die PM-Beladung größer als die Schwellenbeladung ist. Wenn die Steuerung bestimmt, den PM-Filter 136 zu regenerieren, dann fährt die Steuerung mit Schritt 408 fort, ansonsten schleift die Steuerung zurück, wie gezeigt ist.
Bei Schritt 408 bestimmt die Steuerung die Steuerwerte zum Betrieb des Motor- und Abgassystems 100 während des Prozesses zur geschichteten Regeneration, der in aufeinanderfolgenden Schritten ausgeführt wird. Die Steuerwerte können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, die ersten und zweiten Zieleinlasstemperaturen und -bereiche für die Einlassfläche 172, Zielmotorausgangsabgastemperaturen und -bereiche, die Zielzoneneinlassabgastemperaturen, die Zonenabfolge und die Erwärmungs- und Aktivierungsperioden für die elektrische Heizung 162, wie hier vorher beschrieben ist.
Als Nächstes reguliert die Steuerung bei den Schritten 410 bis 414 einen Betrieb des Motor- und Abgassystems 100, so dass ein Anteil des PMs, der sich in den Schichten 312 angesammelt hat, in einem ersten Verbrennungsprozess verbrannt wird. Insbesondere reguliert die Steuerung einen Betrieb derart, dass eine Verbrennung auf die Oberflächenschicht 320 von angesammeltem PM beschränkt ist. Bei Schritt 410 erwärmt die Steuerung die Einlassfläche 172 auf einen ersten Einlasstemperaturbereich oberhalb der Regenerationstemperatur für eine erste Heizperiode. Die Steuerung kann die elektrische Heizung 162 während der ersten Heizperiode aktivieren, um das in den PM-Filter 136 eintretende Abgas zu erwärmen und dadurch die Einlassfläche 172 auf eine erste Zieleinlasstemperatur zu erwärmen. Die Steuerung kann die elektrische Heizung 162 so aktivieren, dass das Abgas in dem PM-Filter 136 bei einer Zielzoneneinlassabgastemperatur eintritt.
Die Steuerung kann simultan die Widerstandsspulen 170 von jeder der Heizzonen 174 aktivieren und dadurch gleichzeitig die Oberflächenschicht 320 in jedem projizierten Volumen 178 verbrennen. Alternativ dazu kann die Steuerung nacheinander jede der Widerstandsspulen 170 für entsprechende Aktivierungsperioden und gemäß der Zonenabfolge aktivieren. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung nacheinander die Oberflächenschicht 320 in jedem projizierten Volumen 178 verbrennen. Bei beiden vorhergehenden Methoden kann die Steuerung die Widerstandsspulen 170 selektiv aktivieren und dadurch eine Verbrennung auslösen und die Oberflächenschicht 320 von gewählten projizierten Volumen 178 verbrennen.
Wie bei Schritt 412 gezeigt ist, kann die Steuerung die Temperatur des den Motor 104 verlassenden Abgases innerhalb eines ersten Abgastemperaturbereiches unterhalb der Regenerationstemperatur während der ersten Heizperiode beibehalten. Insbesondere kann die Steuerung die Temperatur des Abgases bei einer Ziel-Motorausgangsabgastemperatur beibehalten. Die Steuerung kann die Abgastemperatur auf die vorhergehende Art und Weise regulieren, um ein Kühlen der Einlassfläche 172 in dem anschließenden Schritt zu unterstützen.
Als Nächstes kühlt bei Schritt 414 die Steuerung die Einlassfläche 172 unter die Regenerationstemperatur für eine Kühlperiode nach der ersten Heizperiode. Die Steuerung kühlt die Einlassfläche 172 unter die Regenerationstemperatur, um eine fortgesetzte Verbrennung der Oberflächenschicht 320 zu verhindern. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung eine Verbrennung der Oberflächenschicht 320 halten und den Anteil der Schichten 312 steuern, die während des ersten Verbrennungsprozesses verbrannt werden. Die Steuerung kann die Temperatur des den Motor 104 verlassenden Abgases innerhalb des ersten Abgastemperaturbereiches während der Kühlperiode beibehalten. Die Kühlperiode kann kürzer als die erste Heizperiode sein.
Die Steuerung fährt mit Schritt 416 fort, bei dem Die Steuerung einen Betrieb des Motor- und Abgassystems 100 für eine zweite Heizperiode reguliert, so dass das verbleibende PM, das in den Schichten 312 angesammelt ist, in einem zweiten Verbrennungsprozess verbrannt wird. Die Steuerung kann einen Betrieb derart regulieren, dass die Temperatur der Einlassfläche 172 in einem zweiten Einlasstemperaturbereich oberhalb der Regenerationstemperatur für die zweite Heizperiode beibehalten wird. Die Steuerung kann die Einlassfläche 172 bei einer zweiten Zieleinlasstemperatur beibehalten. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung das verbleibende PM in den Schichten 312 auslösen und verbrennen. Die zweite Heizperiode kann größer als die erste Heizperiode und die Kühlperiode sein. Die Steuerung gemäß dem Verfahren 400 endet bei Schritt 414 an dem Ende der zweiten Heizperiode.
Mit besonderem Bezug auf 12 ist ein anderes beispielhaftes Steuerverfahren 500 zur Regeneration eines PM-Filters (PM-Filter 136) gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Verfahren 500 ist ähnlich dem Verfahren 400, mit der Ausnahme, dass bei dem Verfahren 500 die Heizperioden, während denen ein Anteil des PM, das in zwei projizierten Volumen 178 angesammelt ist, in einem ersten Verbrennungsprozess verbrennt, sich mit den Heizperioden überlappen, während denen das verbleibende PM in den beiden projizierten Volumen 178 in einem zweiten Verbrennungsprozess verbrannt wird. Während das Verfahren 500 einen Prozess zur geschichteten Regeneration offenbart, der zwei projizierte Volumen 178 betrifft, sei angemerkt, dass bei dem Verfahren 500 zusätzliche projizierte Volumen 178 enthalten sein können.
Das Verfahren 500 beginnt bei Schritt 502, bei dem die Steuerung bestimmt, ob der Motor 104 läuft. Wenn der Motor 104 läuft, dann fährt die Steuerung mit Schritt 504 fort, ansonsten schleift die Steuerung zurück, wie gezeigt ist.
Bei Schritt 504 bestimmt die Steuerung eine PM-Beladung, und die Steuerung fährt mit Schritt 506 fort. Bei Schritt 506 bestimmt die Steuerung, ob der PM-Filter 136 regeneriert werden soll. Die Steuerung kann bestimmen, ob regeneriert werden soll, indem die PM-Beladung und eine Schwellenbeladung verglichen werden. Wenn die Steuerung bestimmt, dass der PM-Filter 136 regeneriert werden soll, dann fährt die Steuerung mit Schritt 508 fort, ansonsten schleift die Steuerung zurück, wie gezeigt ist.
Bei Schritt 508 bestimmt die Steuerung die Steuerwerte zum Betrieb des Motor- und Abgassystems 100 in aufeinanderfolgenden Schritten. Die Steuerwerte können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, die erste und zweite Zieleinlasstemperatur und -bereiche für die Einlassfläche 172, die Ziel-Motorausgangsabgastemperaturen und -bereiche, die Zielzoneneinlassabgastemperaturen, die Zonenabfolge und die Heiz- und Aktivierungsperioden für die elektrische Heizung 162, wie hier zuvor beschrieben wurde.
Bei Schritt 510 heizt die Steuerung eine erste Zone der Einlassfläche 172 auf einen ersten Einlasstemperaturbereich oberhalb der Regenerationstemperatur für eine erste Heizperiode. Die Steuerung kann eine Widerstandsspule 170 einer entsprechenden ersten Heizzone 174 während der ersten Heizperiode zum Heizen der ersten Zone aktivieren. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung eine Verbrennung eines Anteils der Schichten 312 (beispielsweise der Oberflächenschicht 320) von PM in den projizierten Volumen 178 entsprechend der ersten Heizzone 174 bewirken. Die Steuerung kann die Temperatur des den Motor 104 verlassenden Abgases unter der Regenerationstemperatur während der ersten Heizperiode beibehalten.
Als Nächstes bei Schritt 512 kühlt die Steuerung die erste Zone unter die Regenerationstemperatur für eine erste Kühlperiode nach der ersten Heizperiode und verhindert dadurch eine fortgesetzte Verbrennung des PM in dem entsprechenden projizierten Volumen 178. Während der Kühlperiode kann die Steuerung die entsprechende Widerstandsspule 170 deaktivieren und kann die Temperatur des Abgases innerhalb eines ersten Abgastemperaturbereiches unter der Regenerationstemperatur beibehalten. Die erste Kühlperiode kann kürzer als die erste Heizperiode sein.
Als Nächstes bei Schritt 514 heizt die Steuerung die erste Zone in einem zweiten Einlasstemperaturbereich über die Regenerationstemperatur für eine zweite Heizperiode. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung eine Verbrennung des verbleibenden PM in den Schichten 312 in dem entsprechenden projizierten Volumen 178 bewirken. Die Steuerung kann die entsprechende Widerstandsspule 170 zum Heizen der ersten Zone aktivieren. Die zweite Heizperiode kann größer als die erste Heizperiode und die erste Kühlperiode sein.
Als Nächstes heizt bei Schritt 516 die Steuerung eine zweite Zone der Einlassfläche 172 auf den ersten Einlasstemperaturbereich während einer dritten Heizperiode. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung eine Verbrennung eines Anteils der Schichten 312 von PM in dem projizierten Volumen 178 entsprechend der zweiten Heizzone 174 bewirken. Die Steuerung kann eine Widerstandsspule 170 einer entsprechenden zweiten Heizzone 174 zum Heizen der zweiten Zone aktivieren. Die Steuerung kann die Temperatur des den Motor 104 verlassenden Abgases unter der Regenerationstemperatur während der dritten Heizperiode beibehalten.
Als Nächstes bei Schritt 518 kühlt die Steuerung die zweite Zone unter die Regenerationstemperatur für eine zweite Kühlperiode nach der dritten Heizperiode und verhindert dadurch eine fortgesetzte Verbrennung des PM in dem entsprechenden projizierten Volumen 178. Während der zweiten Kühlperiode kann die Steuerung die entsprechende Widerstandsspule 170 deaktivieren und kann die Temperatur des Abgases in dem ersten Abgastemperaturbereich beibehalten. Die zweite Kühlperiode kann kürzer als die dritte Heizperiode sein.
Als Nächstes heizt bei Schritt 520 die Steuerung die zweite Zone auf den zweiten Einlasstemperaturbereich für eine vierte Heizperiode. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung eine Verbrennung des verbleibenden PM in den Schichten 312 in dem projizierten Volumen 178 entsprechend der zweiten Heizzone 174 bewirken. Die Steuerung kann die entsprechende Widerstandsspule 170 zum Heizen der zweiten Zone aktivieren. Die vierte Heizperiode kann größer als die dritte Heizperiode und die zweite Kühlperiode sein. Die Steuerung gemäß dem Verfahren 500 endet bei Schritt 508 an dem Ende der zweiten Periode.
Bezugszeichenliste für 11

402:: Läuft Motor ?
404:: Bestimme PM-Beladung des PM-Filters
406:: Regeneriere PM-Filter?
408:: Bestimme Steuerwerte des Prozesses für geschichtete Regeneration
410:: Heize Einlassfläche von PM-Filter über Regenerationstemperatur für erste Heizperiode
412:: Behalte vom Motor ausgegebene Abgastemperatur unterhalb der Regenerationstemperatur während der ersten Heizperiode
414:: Kühle Einlassfläche des PM-Filters unter Regenerationstemperatur für Kühlperiode
416:: Heize Einlassfläche des PM-Filters über der Regenerationstemperatur für zweite Heizperiode

12

502:: Läuft Motor ?
504:: Bestimme PM-Beladung des PM-Filter
506:: Regeneriere PM-Filter?
508:: Bestimme Steuerwerte des Prozesses für geschichtete Regeneration
510:: Heize erste Zone der Einlassfläche des PM-Filters über Regenerationstemperatur für erste Heizperiode
512:: Kühle erste Zone der Einlassfläche unter Regenerationstemperatur für die erste Kühlperiode
514:: Heize erste Zone der Einlassfläche des PM-Filters über Regenerationstemperatur für zweite Heizperiode
516:: Heize zweite Zone der Einlassfläche des PM-Filters über Regenerationstemperatur für dritte Heizperiode
518:: Kühle zweite Zone der Einlassfläche unter Regenerationstemperatur für zweite Kühlperiode
520:: Heize zweite Zone der Einlassfläche des PM-Filters über Regenerationstemperatur für vierte Heizperiode

Claims

Steuersystem für einen Motor (104), umfassend: einen Eingang, der eine Anforderung aufnimmt, einen Partikelmaterial-(PM-)Filter (136) zu regenerieren, der PM von Abgas des Motors (104) filtert; und ein Regenerationsmodul (204), das in Ansprechen auf die Anforderung den Betrieb des Motors (104) und eine elektrische Heizung (162) reguliert, die eine Einlassfläche (172) des PM-Filters (136) heizt, so dass: für eine erste Heizperiode die elektrische Heizung (162) die Einlassfläche (172) innerhalb eines ersten Einlasstemperaturbereichs oberhalb einer Regenerationstemperatur des PM-Filters (136) beibehält und eine Verbrennung einer ersten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter (136) ausgelöst wird, für eine Kühlperiode nach der ersten Heizperiode das Abgas die Einlassfläche (172) auf einen zweiten Einlasstemperaturbereich unterhalb der Regenerationstemperatur kühlt und eine Verbrennung der ersten Masse verhindert wird, und für eine zweite Heizperiode nach der Kühlperiode die Einlassfläche (172) innerhalb eines dritten Einlasstemperaturbereichs oberhalb der Regenerationstemperatur beibehalten wird und eine zweite Masse des angesammelten PM verbrannt wird, wobei die Kühlperiode kürzer als die erste Heizperiode und die zweite Heizperiode ist, wobei die erste Heizperiode kürzer als die zweite Heizperiode ist, und wobei die zweite Heizperiode der Kühlperiode unmittelbar folgt.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die erste Heizperiode auf einer ersten Abgastemperatur des Abgases oder einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas basiert.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei während der ersten Heizperiode die elektrische Heizung (162) die Einlassfläche (172) bei einer Ziel-Einlasstemperatur beibehält, die auf einer ersten Abgastemperatur des Abgases oder einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas basiert.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei erste Temperaturen, die den ersten Einlasstemperaturbereich begrenzen, größer als zweite Temperaturen sind, die den dritten Einlasstemperaturbereich begrenzen.
Steuersystem für einen Motor (104), umfassend: einen Eingang, der eine Anforderung aufnimmt, einen Partikelmaterial-(PM-)Filter (136) zu regenerieren, der PM von Abgas des Motors (104) filtert; und ein Regenerationsmodul (204), das in Ansprechen auf die Anforderung den Betrieb des Motors (104) und eine elektrische Heizung (162) reguliert, die eine Einlassfläche (172) des PM-Filters (136) heizt, so dass: für eine erste Heizperiode eine erste Widerstandsspule (170) der elektrischen Heizung (162) eine erste Zone der Einlassfläche (172) innerhalb eines ersten Einlasstemperaturbereichs über einer Regenerationstemperatur des PM-Filters (136) beibehält und eine Verbrennung einer ersten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter (136) ausgelöst wird, für eine zweite Heizperiode eine zweite Widerstandsspule (170) der elektrischen Heizung (162) eine zweite Zone der Einlassfläche (172) in dem ersten Einlasstemperaturbereich beibehält und eine Verbrennung einer zweiten Masse von angesammeltem PM in dem PM-Filter (136) ausgelöst wird, für eine erste Kühlperiode nach der ersten Heizperiode Abgas des Motors (104) die erste Zone auf einen zweiten Einlasstemperaturbereich unter der Regenerationstemperatur kühlt und die Verbrennung der ersten Masse verhindert wird, für eine zweite Kühlperiode nach der zweiten Heizperiode Abgas des Motors (104) die zweite Zone auf den zweiten Einlasstemperaturbereich kühlt und die Verbrennung der zweiten Masse verhindert wird, und für eine dritte Heizperiode nach der ersten und zweiten Kühlperiode die Einlassfläche (172) innerhalb eines dritten Einlasstemperaturbereichs über der Regenerationstemperatur beibehalten wird und eine dritte Masse des angesammelten PM verbrannt wird.
Steuersystem nach Anspruch 5, wobei die zweite Heizperiode der ersten Heizperiode folgt.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei die zweite Heizperiode der ersten Kühlperiode folgt.
Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die erste und zweite Kühlperiode kürzer als die erste, zweite und dritte Heizperiode sind, und wobei die dritte Heizperiode der zweiten Kühlperiode unmittelbar folgt.